СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2009 года по МПК C22C14/00 

Изобретение относится к созданию титановых сплавов, предназначенных для изготовления кронштейнов, панелей, силовых элементов носовых обтекателей и других деталей, материал которых работает в условиях высоких температур в авиационной, космической и ракетной технике, а также цветной металлургии.

Известен сплав на основе титана, имеющий химический состав, мас.%:

алюминий 5,5-6,75 ванадий 3,5-4,5 железо 0,25-0,35 углерод 0,10-0,30 кислород 0,15-0,25 азот 0,05-0,14 титан остальное

(Патент США №5759484).

Сплав может быть использован для изготовления силовых элементов конструкций, типа кронштейнов, балок и других деталей и узлов авиакосмической техники.

Недостатками сплава являются низкие эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких температур.

Недостатком изделий является низкая эксплуатационная надежность. Известен сплав на основе титана, имеющий химический состав, мас.%:

алюминий 2,0-6,8 молибден 0,5-3,8 ванадий 2,0-9,0 хром 0,4-1,6 железо 0,2-1,2 цирконий 0,02-0,3 кислород 0,04-0,14 углерод 0,02-0,09 водород 0,003-0,014 азот 0,008-0,04 кремний 0,04-0,14 титан остальное

(Патент РФ №1131234).

Из сплава изготавливают конструкции авиакосмической и ракетной техники (типа подвесок двигателя).

Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные характеристики кратковременной и длительной прочности при высоких температурах.

Известен также сплав на основе титана следующего химического состава, мас.%:

алюминий 4,3-6,0 молибден 4,0-5,6 ванадий 4,0-5,6 хром 0,5-1,5 железо 0,5-1,5 цирконий 0,03-0,5 кислород 0,02-0,2 углерод 0,01-0,2 водород 0,003-0,03 азот 0,01-0,05 медь 0,003-0,15 никель 0,003-0,15 титан остальное

(Патент РФ №2082802).

Из этого сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической и ракетной техники.

Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные прочностные характеристики при высокой температуре и низкие значения предела выносливости.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана следующего химического состава, мас.%:

алюминий 4,0-6,5 молибден 1,5-2,5 ванадий 4,0-5,0 хром 0,8-1,4 железо 0,4-1,2 вольфрам 0,01-0,3 цирконий 0,02-0,3 медь 0,003-0,1 никель 0,003-0,1 титан остальное

(Патент РФ №1695696).

Из этого сплава-прототипа изготавливают детали и узлы ракетной и космической техники.

Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные характеристики: предела прочности при 400°С (σ_В ⁴⁰⁰) и 450°С (σ_В ⁴⁵⁰); длительной прочности за 100 ч при 400°С (σ₁₀₀ ⁴⁰⁰) и 450°С (σ₁₀₀ ⁴⁵⁰) и предела выносливости на базе 10⁷ циклов гладкого образца (σ-₁) и образца с надрезом (σ^н-₁).

Технической задачей изобретения является создание сплава и изделий из него, обладающих повышенными характеристиками прочности при высокой температуре и предела выносливости.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, хром, железо, цирконий, вольфрам, который дополнительно содержит кремний и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий 3,0-7,0 молибден 1,5-3,0 хром 0,8-2,3 железо 0,2-0,7 цирконий 0,001-0,095 вольфрам 0,001-0,095 кремний 0,16-0,6 кислород 0,03-0,2 титан остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что введение в предлагаемый сплав большого количества кремния (0,16-0,6 мас.%) и введение кислорода при заявленном содержании остальных компонентов обеспечивает повышение характеристик прочности при повышенных температурах и предела выносливости.

Кроме того, предлагаемый сплав дешевле, т.к. не содержит дорогостоящего и дефицитного ванадия.

Примеры конкретного осуществления

Вакуумно-дуговым методом выплавляли слитки предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Слитки ковали на прессах, за несколько стадий после предварительных нагревов и получали прутки диаметром 25 мм. Из полученных прутков изготавливали образцы для испытаний.

В таблице 1 приведены составы, а в таблице 2 свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Как видно из таблицы 2, в предлагаемом сплаве предел прочности при 400-450°С (σ_В ⁴⁰⁰, σ_В ⁵⁰⁰) повысился на 24-28%, предел длительной (за 100 ч) прочности (σ₁₀₀ ⁴⁰⁰, σ₁₀₀ ⁵⁰⁰) повысился на 23-27%, предел выносливости (σ-₁, σ^н-₁) повысился на 15%.

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит снизить массу деталей и узлов на 20-25% за счет повышения уровня прочностных характеристик при высокой температуре и повысить ресурс работы конструкций за счет увеличения предела выносливости.

Таблица 1 № Химический состав, мас.% Al Mo Cr Fe Zr W Si O₂ Ni V Cu Ti 1 3,0 1,5 0,8 0,2 0,001 0,001 0,16 0,03       Осн. 2 5,5 2,0 1,5 0,4 0,03 0,1 0,3 0,1       ''-'' 3 7,0 3,0 2,3 0,7 0,095 0,095 0,6 0,2       ''-'' 4 5,0 2,2 1 0,7 0,1 0,15     0,02 4,5 0,02 ''-''

Таблица 2 № п/п σ_В ⁴⁰⁰, МПа σ_В ⁴⁵⁰, МПа σ₁₀₀ ⁴⁰⁰, МПа σ₁₀₀ ⁴⁵⁰, МПа σ_-1, МПа σ^н _-1, МПа; r=0,75 1 1020 950 990 910 646 450 2 1027 954 995 916 647 470 3 1034 960 998 917 652 490 4 - прототип 820 740 806 715 568 260 σ_В ⁴⁰⁰ и σ_В ⁴⁵⁰ - пределы прочности при 400 и 450°С;
σ₁₀₀ ⁴⁰⁰ и σ₁₀₀ ⁴⁵⁰ - пределы длительной (за 100 ч) прочности при 400 и 450°С;
σ_-1 - предел выносливости гладкого образца на базе 10⁷ циклов;
σ^н _-1 - предел выносливости образца с надрезом на базе 10⁷ циклов при радиусе надреза r=0,75 мм.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов. Может использоваться для изготовления деталей и узлов авиакосмической и ракетной техники, материал которых работает в условиях высоких температур. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 3,0-7,0, молибден 1,5-3,0, хром 0,8-2,3, железо 0,2-0,7, цирконий 0,001-0,095, вольфрам 0,001-0,095, кремний 0,16-0,6, кислород 0,03-0,2, титан - остальное. Сплав обладает высокой прочностью и длительной прочностью при высокой температуре и высокой выносливостью, что позволяет снизить массу деталей и узлов и повысить ресурс работы конструкций. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, хром, железо, цирконий, вольфрам, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий 3,0-7,0 молибден 1,5-3,0 хром 0,8-2,3 железо 0,2-0,7 цирконий 0,001-0,095 вольфрам 0,001-0,095 кремний 0,16-0,6 кислород 0,03-0,2 титан остальное

2. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.